基于电气量变化特性的抽水蓄能机组失磁故障保护方法研究

《Energies》：Research on Protection Method for Pumped Storage Unit Loss-of-Excitation Faults Based on Electrical Quantity Variation Characteristics

　　

失磁故障是抽水蓄能机组的一种常见故障形式，可能威胁机组安全与电网稳定性。然而，基于阻抗原理的传统失磁保护在部分失磁或轻载条件下失磁时可能出现动作延迟甚至拒动，且在系统振荡时存在误动风险。因此，研究人员分析了抽水蓄能机组在失磁与系统振荡过程中电压、电流、有功功率、无功功率及功角等电气量特性的差异，并提出了一种基于机端电压、无功功率和功角变化幅值与极性的失磁指数判据（loss-of-excitation index criterion），从而构成了一种新的抽水蓄能机组失磁故障保护方法。仿真结果表明，与传统基于阻抗原理的失磁保护相比，所提方法将动作时间缩短了58.6%–90.0%。该方法能够在各种运行工况下可靠、快速地检测抽水蓄能机组的失磁故障，并对非失磁故障和系统振荡表现出良好的防误动能力。此外，所提保护方法在信噪比20 dB的噪声干扰或0.2 s通信延迟条件下仍能保持可靠运行，验证了其强大的工程实用性和抗干扰能力。

**基于电气量变化特性的抽水蓄能机组失磁故障保护方法研究——论文解读**

**研究背景与问题**
抽水蓄能机组（pumped storage unit）的失磁故障（loss-of-excitation fault）是常见故障类型，可能完全或部分失磁，威胁机组安全与电网稳定性。传统基于阻抗原理的失磁保护（如异步边界阻抗圆或静态稳定边界阻抗圆判据）虽然原理简单，但存在显著缺陷：在部分失磁或轻载条件下，保护动作可能延迟甚至拒动；在系统振荡（system oscillation）时，保护可能误动。此外，基于阻抗的判据对负荷水平敏感，重载下失磁时动作稍慢，轻载下则更差。现有改进方法如基于导纳平面、无功功率增量、功率角变化趋势或人工智能算法（如模糊逻辑、决策树、人工神经网络）等，虽有一定效果，但普遍存在训练数据需求大、泛化能力差或对系统振荡的防误动性能不足等问题。因此，亟需一种快速、可靠且抗干扰能力强的失磁保护新方法。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一种基于电气量变化特性的抽水蓄能机组失磁故障保护方法。首先，分析了失磁和系统振荡过程中电压（V）、无功功率（Q）、功角（δ）等电气量的变化趋势差异：失磁时机端电压下降、无功功率减小并反向、功角增大，且各量呈单调变化；系统振荡时所有电气量呈周期性振荡。基于此，构建了失磁指数（loss-of-excitation index）SC_VQδ（由ΔV、ΔQ、Δδ的乘积经增益系数标定得到），并利用其极性一致性（失磁时保持正极性，振荡时呈双极性）作为判据，结合延时Tset（基于系统最低振荡频率设定）和负序电压闭锁元件（negative-sequence voltage blocking element）构成完整保护方案。仿真验证表明，与传统阻抗原理保护相比，所提方法在多种工况下将动作时间缩短58.6%–90.0%，对完全/部分失磁、轻载/重载条件均能快速可靠动作，且对系统振荡、机内外不对称故障具有良好的防误动能力。此外，在20 dB信噪比噪声干扰或0.2 s通信延迟下，保护仍能可靠运行，验证了其工程实用性和抗干扰能力。该论文发表在《Energies》。

**主要关键技术方法**
（不超过250字）
研究人员构建了基于PSCAD/EMTDC的仿真模型（参数见表1），模拟抽水蓄能机组与无穷大系统并联运行。关键方法包括：①通过分析失磁和系统振荡时电压、无功功率、功角的时域变化差异，定义失磁指数SC_VQδ = K_G × ΔV_pu × ΔQ_pu × Δδ_pu（其中ΔV_pu、ΔQ_pu、Δδ_pu为标幺化变化量，K_G为增益系数）；②利用失磁指数在失磁时保持正极性、系统振荡时呈双极性的特性，设定延时Tset（基于系统最低振荡频率f_min，取1.5 s）作为判据；③引入负序电压闭锁元件（V₂ < V_2.set）防止不对称故障误动；④通过功角求解算法（基于转子运动方程离散化迭代）获得δ值。所有仿真均基于PSCAD/EMTDC平台，无样本队列来源。

**研究结果**

**4.1 不同工况下失磁指数的响应特性**
通过仿真不同有功负荷水平和功率因数条件下的失磁过程，发现失磁指数SC_VQδ的变化趋势与额定工况一致，仅幅值有差异：恒定功率因数下，有功负荷越高，指数幅值越大；恒定有功负荷下，正常运行时无功功率越超前，指数幅值越大。由于阈值（10^?2量级）远小于失磁指数（10¹量级），不同工况对保护判别性能几乎无影响。

**4.2 所提保护方法对系统振荡的防误动性能**
通过设置三相短路故障（持续时间0.2 s和0.3 s）模拟低频和高频系统振荡，仿真显示失磁指数在振荡期间呈双极性波动，无法持续满足正极性判据，结合延时Tset（1.5 s），保护从未误动，表明该方法对系统振荡具有良好防误动能力。

**4.3 所提保护方法对不对称故障的防误动性能**
针对机外单相接地、两相相间、两相短路接地等不对称故障，失磁指数呈现正负双极性波动，最大正极性持续时间小于0.2 s，远小于Tset，保护不会误动；加入负序电压闭锁后，故障期间保护可靠闭锁。针对机内相间短路和定子接地故障，仿真表明保护在故障期间被有效闭锁或故障后指数无法持续满足判据，均未误动。

**4.4 负序电压闭锁元件对保护可靠性的影响**
分析四种情况：①机内外不对称非失磁故障：负序电压闭锁与延时形成双重防误动保障；②系统振荡与③失磁故障：负序电压很小，闭锁不激活，保护依靠延时防止振荡误动，依靠失磁指数判据保障动作；④失磁与外部不对称故障并发：理论分析表明两者独立，且外部故障可由线路纵联差动保护快速切除（约20 ms），随后保护重新开放并可靠动作。仿真验证了并发情况下保护仍能可靠动作，但动作时间略有延长（2.18–2.28 s），仍优于传统方法。

**4.5 测量噪声与通信延迟对保护性能的影响**
在电压信号上叠加20 dB信噪比的高斯白噪声（比国标GB/T 19862-2025的46 dB更严格），仿真显示失磁指数虽有波动但整体趋势不变，保护正确动作。在功角信号上引入0.2 s通信延迟（远超实际可能值），保护动作时间从1.5 s增加至1.7 s，但仍能正确动作，表明该方法对测量噪声和通信延迟具有良好的鲁棒性。

**4.6 所提保护方法与基于阻抗原理的失磁保护对比**
在9种不同负荷水平与失磁程度测试案例中，传统阻抗法在8种可动作条件下的动作时间为3.62–15.04 s，案例9（轻载部分失磁）出现拒动；而所提方法在所有案例中均在1.5 s内完成动作（即等于预设延时Tset），动作时间缩短58.6%–90.0%。此外，所提方法仅需机端电压、无功功率和功角三种电气量，核心判据为标量比较，复杂度低于传统阻抗法。

**4.7 对不同额定容量和惯性时间常数的适用性**
对额定容量353 MVA和500 MVA、惯性时间常数4.15 s和8 s的抽水蓄能机组进行补充仿真，在t=4.0 s施加失磁故障后，所提方法均在1.5 s后发出跳闸信号，表明该方法对不同参数机组均有效。

**讨论与结论**
在讨论部分，研究人员指出所提保护方法基于电气量变化特性，适用于GB/T 40586-2021规定的单机容量100 MW以上火电/核电、40 MW以上水电/常规抽蓄及220 kV及以上电压等级抽蓄机组。该方法在快速性、灵敏性和可靠性上均优于传统阻抗法，且工程实现简单（仅需三种常规电气量，算法为标量乘除比较）。然而，该方法更适用于系统惯性较强的强电源系统，在高比例新能源弱电网中可靠性可能略有下降，需进一步研究。但考虑到当前同步机组近区电网通常为强电源系统，该方法仍适用于大多数工程场景。未来工作将聚焦于弱电网条件下的性能改进。

研究结论翻译如下：

（1）所提保护方法的适用范围：根据现行国家标准GB/T 40586-2021，适用于单机容量100 MW及以上的火电/核电汽轮发电机、40 MW及以上的水轮发电机与常规抽水蓄能机组，以及220 kV及以上电压等级的抽水蓄能机组。

（2）所提保护方法对失磁故障的检测能力满足继电保护基本要求。基于电气量变化特性的失磁保护具有良好的动作速度和灵敏度。与传统基于阻抗原理的失磁保护相比，所提方法将动作速度提升了58.6%–90.0%。传统阻抗原理保护的动作时间等于阻抗轨迹发展时间加上保护整定时间，失磁程度和负荷越轻，动作时间越长；而所提方法在失磁故障发生后稳定满足失磁指数判据，经预设延时后发出跳闸信号，动作时间等于整定时间，对失磁程度和负荷水平不敏感。对于轻微失磁故障（低失磁程度和低负荷），所提方法仍能快速动作，表明其对失磁故障具有良好的灵敏度。

（3）所提保护方法满足失磁保护的可靠性要求。由于延时Tset基于系统最低振荡频率f_min整定，并存在负序闭锁元件，所提方法对系统振荡和机内外不对称故障具有良好的防误动能力，确保非失磁事件不误动。失磁后各电气量的变化趋势与失磁程度和负荷无关，所提方法稳定满足失磁指数判据，对失磁故障具有良好的判别性能，确保失磁故障不拒动。

（4）所提保护方法具有良好的工程推广条件：所用电气量少且均为常规可测量，核心失磁指数基于标量乘法，判据仅涉及简单大小比较，方法复杂度低于传统阻抗原理保护，算法易于在微机保护装置中实现。同时，在20 dB信噪比噪声干扰或0.2 s通信延迟条件下，所提保护方法仍能保持可靠运行，验证了其强大的工程实用性和抗干扰能力。

（5）所提保护方法的局限性：核心判据基于电气量变化，因此更适用于系统惯性较大的强电源系统。在高比例新能源、低惯性的弱电源系统中，保护可靠性可能略有下降，需要进一步研究。但随着新能源渗透率提高，系统惯性增强技术（如同步调相机、虚拟抽水蓄能机组、构网型逆变器等）不断成熟，且所提方法主要针对大型同步机组，其近区电网通常为强电源系统，因此适用于当前大多数工程应用场景。未来工作将聚焦于弱电网条件下所提方法的性能改进。